衡阳市主城区土地利用变化的生态环境效应研究

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　　摘  要：以衡阳市主城区为例，利用2005年、2012年和2016年3期TM遥感影像解译图获取土地利用变化数据。首先，对衡阳市主城区土地利用变化特征进行分析。然后，运用区域生态环境质量指数和区域土地利用变化类型生态贡献率，对研究时段内衡阳市主城区土地利用变化的生态环境效应以及导致生态环境质量变化的主导土地利用变化类型进行分析。结果表明，2005—2016年间，衡阳市主城区生态环境质量先增加后下降，总体上维持着区域生态环境的动态稳定，但生态改善和恶化的2种趋势并存。其中，导致衡阳市主城区生态环境质量恶化的主要土地利用变化类型是耕地向城乡建设用地的转变，促进衡阳市主城区生态环境质量改善的主要土地利用变化类型是耕地向水域用地的转变。
　　关键词：衡阳市主城区;土地利用变化;生态环境效应;生态环境质量指数
　　中图分类号 F301.24 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）（02-03）-0119-06
　　Abstract：This paper obtained the data of land use change based on the TM images interpreted in 1980，1995 and 2005 taking the main urban areas of Hengyang City as a case study.First，this paper analyzed the characteristics of land use change.Then，eco-environmental quality was associated with land use types according to the relative ecological service value of different land use types .The effect of land use change on the eco-environmental quality was measured and quantified by calculating the regional eco-environmental indices .The major land use transformation types causing the change of eco-environmental quality were found out by calculating the contribution proportions of land use transformation types to eco-environmental quality .The ecological environment quality of the main urban area of Hengyang increased at first and then decreased，which maintained the dynamic stability of the regional ecological environment as a whole，but the two trends of ecological improvement and deterioration coexist;and the rate w as faster and faster .In the study phases，the transformation from arable land to constructive land was the major land use transformation type deteriorating the eco-environmental quality ;the transformation from arable land to water area was the major land use transformation type improving the eco-environmental quality .
　　Key words：The main urban areas of Hengyang City;Land use change;Eco-environmental effect;Eco-environmental quality index
　　土地利用变化是指在不同时空尺度上，人类和自然相互作用引起的一种复杂变化[1-2]。土地利用变化是目前全球生态环境变化的主要原因之一[3]，它反映了人类与大自然间相互影响与相互作用最直接、最密切的关系[4]。随着社会经济的发展、城市化进程的加快，使城市建成区范围逐年扩张，人类对土地的需求日益多元化，加速了各种土地利用类型在时空上的变化，由此引起的生态环境问题不断加剧，严重影响到人类赖以生存的自然环境[5]。作为自然景观变化最明显的区域，城市土地利用变化已成为当前土地利用研究的热点[6]。
　　目前，国内外学者对土地利用变化的生态环境效应研究主要集中于土地利用變化的水环境效应、大气环境效应等单一生态环境效应上。例如，Tilman等通过分析林地和水域转向农业生产用地的土地利用变化情况，对淡水、陆地和海岸带海洋生态系统的富营养化程度进行了研究[7]。Solomon等研究了土地利用变化对土壤有机质变化的影响[8]。贾宇平等研究了土地利用变化对土壤有机碳、全氮的影响[9]。刘廷祥等以嫩江流域农林交错带为典型研究区，从土地利用变化分析方面系统地研究了农林交错带土地利用格局变化及其区域气温变化效应[10]。杨倩楠等采用枯季径流分割法分析了干旱区流域基流、基流指数与景观格局指数的相关性，研究了流域景观格局变化对基流的作用[11]。姜雨青等用统计学方法分析了我国西北干旱区土地利用变化和归一化植被指数的时空变化特征[12]。这些研究区域主要集中在生态环境脆弱区或经济落后地区[13]，研究对象主要集中在单一的生态环境要素[14-16]，而对于城镇化快速发展地区的整体生态环境效应研究较少。 　　衡阳市作为中西部地区快速发展区域，具有一定的代表性，经济的快速发展，驱使主城区面积不断扩张，城市土地利用格局发生剧烈变化，从而导致了众多环境问题。为此，本文以衡阳市为研究区域，研究城镇化快速发展背景下土地利用变化的整体生态环境效应，以期为土地利用、城市建设和区域可持续发展提供科学依据和决策支持，也为国内外同类区域研究提供借鉴。
　　1 研究区域概况与数据来源
　　1.1 研究区概况 衡阳市2005—2016年城镇率由31.58%上升至51.07%，全市GDP由541.23亿元上升至2868.57亿元。主城区（雁峰区、珠晖区、石鼓区、蒸湘区）总面积约为518.55km2，占全市土地总面积的3.39%，是衡阳市政治、经济、文化中心。主城区建设用地、水域、交通用地的比例和土地利用效益高于其他土地利用区。21世纪以来，主城区交通条件和产业布局的不断完善，经济带动作用不断增强。
　　1.2 数据来源及处理 本研究使用空间数据选用2005、2012和2016年分辨率为30m的3期Landsat TM影像，其中，Land TM遥感影像波段组成为4、3、2（RGB），以土地利用方式和覆盖特征为主要分类依据，采用人机交互目视解译法，以1∶1万地形图数据为参考，应用相关分析并综合影像特征判定各类地物的边界，利用ArcGIS插件，生成现状土地利用专题图。以此为基础，使用ArcGIS空间叠置分析功能，生成3个时间段的土地利用变化专题图;最后通过对照GoogleEarth提供的高分辨率数据视图并结合野外实地观察及经验判定地物类型并验证预判图的精度。通过参照《土地利用现状分类》国家标准（GBT21010-2007），研究区共分为耕地、园地、林地、建设用地、未利用地、水域6类一级类型。
　　2 研究方法
　　2.1 土地利用转移矩阵 土地利用转移矩阵能够直观地反应出各类土地利用类型之间的转换情况，它不仅可以反映研究期内各类土地利用类型的转移变化情况，还可以反映出研究期末各土地利用类型的来源与结构。其数学形式为：
　　2.2 土地利用变化的生态环境效应评价
　　2.2.1 土地利用类型生态环境质量指数 不同的土地利用类型代表不同生态环境质量差异，根据各土地利用类型的相对生态价值，建立土地利用类型与区域生态环境质量的关联。通过分析土地利用变化特征，定量分析区域生态环境变化特征[17]。土地利用类型二级分类具有较高的分辨率，且体现了明显的生态差异性，在确定一级土地利用类型相对生态价值的基础上，对二级土地利用类型的生态环境质量进行赋值[18]。
　　（1）一级土地利用类型相对生态服务价值的确定根据谢高地等对中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值评估结果，对不同土地利用类型的生态环境质量进行赋值，定义为不同土地利用类型的相对生态服务价值[19]，详见表1。
　　（2）二级土地利用类型相对生态服务价值的确定：在一级土地利用类型相对生态服务价值确定的基础上，对二级土地利用类型进行生态环境质量赋值，详见表2。
　　2.2.2 区域生态环境質量指数 区域生态环境质量指数是指综合考虑区域内各土地利用类型所具有的生态环境质量及面积比例，用以定量表征某一区域内生态环境质量的总体状况[20]，其表达式为：
　　2.2.3 区域土地利用类型转变的生态贡献率 区域土地利用变化类型生态贡献率是指某一种土地利用变化类型所导致的区域生态环境质量的改变[15]，其表达式为：
　　式中：LEIt+1，LEt—某一土地利用变化类型所反映的变化末期和初期土地利用类型所具有的生态环境质量指数;LA--该变化类型的面积;其他指标解释同上。
　　3 结果与分析
　　3.1 衡阳市主城区土地利用变化特征 根据公式（1），利用GIS的空间分析功能对衡阳市主城区2005、2012和2016年3期数据进行分析，得到2005—2016年、2005—2012年和2012—2016年衡阳市主城区土地利用类型变化幅度、空间分布图和土地利用类型转移矩阵，结果如表3、表4和表5所示。
　　从表3、表4和表5可知，2005—2016年衡阳市主城区各土地利用类型变化总体特征如下：（1）耕地面积明显减少。2005—2016年耕地面积减少总量为2775.31hm2，年均减少252.30hm2;相较而言，2012—2016年耕地减少幅度小于2005—2012年。2005—2016年土地利用类型转移面积总量为52900.56hm2，耕地转出量最大，占转出总量的32.06%，主要转化为建设用地、林地和水域。其中，耕地转化为建设用地主要集中分布于主城区边缘区及原有农村居民点附近;耕地转化为水域主要分布于原有河流水面周围。（2）林地面积先增后减。2005—2016年林地面积增加了34.33hm2，2005—2012年退耕还林是林地面积增加的主要原因，转入百分比为41.05%;2012—2016年建设用地占用林地面积增加，导致林地面积减少，转出百分比为37.38%。（3）建设用地明显增加。2005—2016年建设用地面积增加了3867.12hm2，年均增加351.56hm2;2012—2016年变化速度加快，建设用地转入量最大，占转入总量的33.88%，其主要来源于耕地、林地和水域。可见随着城市化进程的加快，建设用地扩张明显，主要表现为向中心城区外围扩张，南拓、北扩和东移。（4）水域面积先增后减，总体呈增加趋势。12年间水域面积增加了34.63hm2，2005—2012年47.79%水域由耕地转化而来，2012—2016年39.98%水域由耕地转化而来。（5）园地和未利用地转移量占比较小，其转出方向基本一致，主要转化为林地、耕地和建设用地。
　　3.2 生态环境效应
　　3.2.1 区域生态环境质量变化 根据区域环境生态质量指数模型，计算得到衡阳市主城区2005、2012和2016年的区域生态环境质量指数，详见表6。由表6可知，2005—2012年间，衡阳市主城区生态环境质量共下降3.75%，其中，2005—2012年衡阳市主城区的生态环境质量指数由0.797上升至0.809，年均上升0.25%;2012—2016年下降1.24%。这表明，2005—2016年衡阳市主城区生态环境质量先增加后下降，但总体上维持着区域生态环境的动态稳定。在各类土地利用类型中，林地、水田和水域的生态环境质量最高，对区域生态环境的贡献率也最大。 　　3.2.2 区域土地利用类型生态贡献率变化 区域生态环境质量维持稳定的同时，区域内生态质量往往同时存在着改善和恶化2种相反的趋势。在相当程度上，这2种趋势在一定区域内相互抵消，使其总体趋于稳定。生态环境改善和恶化趋势可从分析2级土地利用类型变化得出。表7给出了2005—2016年衡阳市主城区导致生态环境改善和恶化的主要土地利用变化类型的面积和贡献率。
　　由表7可知，2005—2016年，促进衡阳市主城区生态环境质量改善的主要土地利用变化的驱动因子有退耕还水、退耕还林和建设用地向水域转化。2005—2012年，退耕还水、退耕还林和建设用地向水域转化的生态贡献率占比分别为23.36%、21.79%和19.52%。2005—2016年退耕还水、退耕还林和建设用地向水域转化的生态贡献率占比分别为19.67%、23.22%和20.11%。相较而言，2012—2016年退耕还水占比降低，其他基本不变。
　　2012—2016年，致使衡阳市主城区生态环境质量恶化的主要土地利用变化的驱动因子是城乡用地规模的扩大、毁林造田和围水造田。城乡建设用地规模的扩大主要表现为耕地、林地和水域的转化。2005—2012年土地利用类型转化为建设用地、林地转化为耕地和水域转化的生态贡献率占比分别为45.38%、19.04%和16.54%。2012—2016年土地利用类型转化为建设用地、林地转化为耕地和水域转化的生态贡献率占比分别为46.20%、19.83%和21.50%。总体上，衡阳市主城区尽管同时存在着改善和恶化的2种趋势，但其总体生态环境质量保持相对稳定的态势。
　　4 结论与讨论
　　（1）2005—2016年衡阳市主城区土地利用变化主要表现为：耕地面积显著减少，建设用地积大量增——园地、其他土地、未利用土地面积持续减少，林地、水域地面积先增加后少。其中，耕地主要转化为林地、建设用地和水域这3种变化类型分布最为广泛。耕地转建设用地主要集中分布于主城区边缘区及原有农村居民点附近，耕地转化为水域主要分布于原有河流水面周围。发生以上转变的原因主要是退耕还水、还林政策的实施及快速城镇背景下建设用地的不断扩张。
　　（2）2005—2016年衡阳市主城区生态环境在一定程度上保持相对稳定，生态环境变化存在着改善和恶化2种趋势。从研究结果可以看出，衡阳市主城区生态环境恶化的主要驱动因素是建设用地的扩张，生态环境改善的驱动因素是农业结构调整和生态退耕，即生态服务价值较低的耕地向生态服务价值相对较高的水域转化;同时对不适宜耕种的坡耕地，有步骤地实施生态退耕。
　　（3）在城镇化快速发展背景下，建设用地不断扩张是必然趋势，但不能只顾发展而忽视生态环境保护。为维持经济发展与生态环境之间的相对平衡，要在建设用地不断扩张的同时，尽可能地对建设用地进行内涵挖潜，提高城市建设用地利用效率，从而满足城市经济发展的需求。
　　参考文献
　　[1]Lambin E F，Geist H J.Global land-use and cover change：What have we learned so far[J].Global Change Newsletter，2001，46：27-30.
　　[2]Diego Valbuena，Peter H Verburg，Arnold K Bregt.A method to define a typology for agent-based analysis in regional land-use research[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2008，128（1）：27-36.
　　[3]左伟，陈洪玲，王桥，等.基于遥感的山区县域土地覆被变化的驱动力因子和生态环境效应分析——以重庆市忠县为例[J].山地学报，2004（02）：240-247.
　　[4]刘彦随，陈百明.中国可持续发展问题与土地利用/覆被变化研究[J].地理研究，2002（03）：324-330.
　　[5]邱金根.喀斯特地区土地利用/覆被变化及其生态环境效应研究[D].重庆：西南大学，2010.
　　[6]杨雪，谈明洪.近年来北京市耕地多功能演变及其关联性[J].自然资源学报，2014，29（05）：733-743.
　　[7]Tilman D，Fargione J，Wolff B，et al.Forecasting agriculturally driven globalenvironmental change[J]. Science，2001，292：281-284.
　　[8]Solomon D，Lehmann J，Zech W.Land use effects on soil organic matter properties of chromic luvisols in semi-arid northern Tanzanua：carbon，nitrogen，lignin and carbohydrates[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2000，78：203-213.
　　[9]賈宇平，侯志华，安祥生.土地利用变化对土壤有机碳、全氮的影响—以右玉县牛心堡乡为例[J].山西农业科学，2016，44（11）：1648-1652.
　　[10]刘廷祥.东北地区农林交错带土地利用变化及其对区域气温影响模拟研究[D].长春：中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所），2012.
　　[11]杨倩楠，高海东，李占斌，等.干旱区流域土地利用变化对基流的影响[J].水土保持研究，2018，25（03）：317-322，331.
　　[12]姜雨青，李宝富，宋美帅，等.定量评估我国西北干旱区土地利用变化对植被指数的影响[J].冰川冻土，2018，40（03）：616-624
　　[13]刘建飞，杨勤科，梁伟，等.近30年来陕北黄土高原土地利用动态变化分析[J].水土保持研究，2009，16（02）：112-116，269.
　　[14]Overmars K P，Verburg P H.Analysis of land use drivers at watershed and household level linking two paradigms at the Philippine forest fringe[J].International Journal of Geographical Information Science，2005，19（2）：125-152.
　　[15]张有全，宫辉力，赵文吉，等.北京市1990年～2000年土地利用变化机制分析[J].资源科学，2007（03）：206-213.
　　[16]张晓明，曹文洪，余新晓，等.黄土丘陵沟壑区典型流域径流输沙对土地利用/覆被变化的响应[J].应用生态学报，2009，20（01）：121-127.
　　[17]张芳怡等，苏州市土地利用变化的生态环境效应研究[J].水土保持研究，2009（05）：98-103.
　　[18]秦泗刚.城市边缘区土地利用变化及其生态环境效应：以西安市城南为例[D].西安：西北大学，2005.
　　[19]谢高地，鲁春霞，肖玉，等.青藏高原高寒草地生态系统服务价值评估[J].山地学报，2003，21（1）：50-55.
　　[20]李晓文，方创琳，黄金川，等.西北干旱区城市土地利用变化及其区域生态环境效应：以甘肃河西地区为例[J].第四红研究，2003，23（3）：280-292.
　　（责编：张宏民）
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